质子交换膜燃料电池热电联产系统的制作方法

本发明涉及热电联产，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池热电联产系统。

背景技术：

1、分布式能源作为可以独立于电网运作的能源系统，可以应用在家庭住宅、油田矿井及野外等环境中，具有很高的应用前景。传统的天然气分布式能源使用燃气轮机提供电力并对热量进行回收来实现热电联产，但是燃气轮机的效率较低，而且这种功能方式的碳排放较大，同时在运行过程中设备会发出较大的噪音。

2、和传统的能源相比，燃料电池具有节能、环保、发电效率高、安全、噪音小以及灵活性高等特点，其中质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，pemfc)在拥有成熟技术的同时，还具有快速启停、占地面积小且反应条件温和等优点。质子交换膜燃料电池可以应用在汽车、船舶等交通工具上，也可以作为分布式能源应用于热电联产系统，以减少或避免上述传统天然气分布式能源的问题。

3、但是，现有质子交换膜燃料电池热电联产系统的综合发电效率较低，只有约35％，在电能需求较大的情况下，为了满足电能需求，需要消耗更多的燃料并伴随着发电量的上升产生更多的热量，这些热量不能及时回收利用，产生较大的浪费。

技术实现思路

1、本发明提供一种质子交换膜燃料电池热电联产系统，用以解决现有技术中质子交换膜燃料电池热电联产系统的综合发电效率较低，发电产生的大量热量不能及时回收利用，产生较大浪费的缺陷。

2、本发明提供一种质子交换膜燃料电池热电联产系统，包括：

3、氢气供应模块，用于供应氢气；

4、燃料电池模块，包括质子交换膜燃料电池，所述质子交换膜燃料电池与所述氢气供应模块连接，所述质子交换膜燃料电池用于使用氢气进行发电，所述质子交换膜燃料电池还包括冷却水进口、冷却水出口、阳极气出口和阴极气出口；

5、热量回收模块，包括水箱和多个第一换热器，所述水箱与多个所述第一换热器的低温端串联形成热循环水路，所述冷却水出口、所述阳极气出口和所述阴极气出口分别与一个所述第一换热器的高温端连通，多个所述第一换热器用于回收所述质子交换膜燃料电池产生的热量以制得热水；以及

6、低温发电模块，并联于所述热循环水路，并与所述热循环水路可选择地连通，所述低温发电模块用于使用所述热水进行低温发电。

7、根据本发明提供的质子交换膜燃料电池热电联产系统，所述低温发电模块包括低温换热器和卡琳娜循环发电装置，所述低温换热器的高温端并联于所述热循环水路，并位于所述水箱的回水端，所述低温换热器的高温端与所述热循环水路之间还设置有控制阀，所述控制阀用于控制所述低温换热器的高温端与所述热循环水路连通或关断；所述卡琳娜循环发电装置的发电介质回路与所述低温换热器的低温端串联，所述低温换热器用于加热发电介质。

8、根据本发明提供的质子交换膜燃料电池热电联产系统，所述卡琳娜循环发电装置包括介质容器、气液分离器、透平、气液混合器和冷凝器，所述介质容器用于容置所述发电介质，所述介质容器的出口与所述低温换热器的低温端入口连接，所述发电介质流经所述低温换热器的低温端而被加热；所述气液分离器的入口与所述低温换热器的低温端出口连接，所述气液分离器的气体出口与所述透平的入口连接，气相的发电介质进入所述透平带动发电机发电；所述气液分离器的液体出口和所述透平的出口与所述气液混合器连接，所述气液混合器顺次连接所述冷凝器和所述介质容器的入口，从而形成所述发电介质回路。

9、根据本发明提供的质子交换膜燃料电池热电联产系统，所述质子交换膜燃料电池热电联产系统还包括水回收模块，所述水回收模块包括第一气水分离单元和第二气水分离单元，所述第一气水分离单元的入口与所述阳极气出口连通、水出口与供水水路连通，所述第二气水分离单元的入口与所述阴极气出口连通、水出口与所述供水水路连通。

10、根据本发明提供的质子交换膜燃料电池热电联产系统，所述质子交换膜燃料电池热电联产系统还包括空气供应单元，所述空气供应单元与所述质子交换膜燃料电池连接；

11、所述空气供应单元还包括加湿入口和加湿出口，所述加湿入口与所述阴极气出口连通，所述加湿出口与所述阴极气出口对应的所述第一换热器的高温端连接。

12、根据本发明提供的质子交换膜燃料电池热电联产系统，所述氢气供应模块包括燃气重整与变换装置和一氧化碳去除装置，所述燃气重整与变换装置用于使用燃气重整制氢，所述一氧化碳去除装置的入口与所述燃气重整与变换装置的出口连通，所述一氧化碳去除装置的出口与所述质子交换膜燃料电池连通，所述一氧化碳去除装置用于去除一氧化碳，以将氢气中的一氧化碳浓度降低至预设浓度。

13、根据本发明提供的质子交换膜燃料电池热电联产系统，所述热量回收模块还包括第二换热器，所述第二换热器的低温端串联于所述热循环水路，所述第二换热器的高温端串联于所述燃气重整与变换装置与所述一氧化碳去除装置之间，所述第二换热器用于回收所述燃气重整与变换装置产生的热量；和/或，

14、所述热量回收模块还包括第三换热器，所述第三换热器的低温端串联于所述热循环水路，所述第三换热器的高温端串联于所述一氧化碳去除装置与所述质子交换膜燃料电池之间，所述第三换热器用于回收所述一氧化碳去除装置产生的热量。

15、根据本发明提供的质子交换膜燃料电池热电联产系统，所述燃气重整与变换装置包括依次串联的加热单元、燃气重整反应器以及蒸汽变换反应单元，所述加热单元用于加热燃气混合气，所述燃气重整反应器用于进行燃气重整制氢反应，所述蒸汽变换反应单元用于进行变换反应去除一氧化碳，所述蒸汽变换反应单元的出口与所述一氧化碳去除装置连通。

16、根据本发明提供的质子交换膜燃料电池热电联产系统，所述蒸汽变换反应单元包括高温变换反应器和低温变换反应器，所述高温变换反应器和所述低温变换反应器依次串联于所述燃气重整反应器的出口端，所述低温变换反应器的出口与所述一氧化碳去除装置连通；

17、所述燃气重整与变换装置还包括两个预热换热器，一个所述预热换热器的高温端串联于所述燃气重整反应器与所述高温变换反应器之间，另一个所述预热换热器的高温端串联于所述高温变换反应器与所述低温变换反应器之间，两个所述预热换热器的低温端串联于所述燃气重整与变换装置的入口与所述加热单元之间。

18、根据本发明提供的质子交换膜燃料电池热电联产系统，所述加热单元包括燃烧器和加热换热器，所述燃烧器与所述加热换热器的高温端串联，所述加热换热器的低温端串联于所述燃气重整与变换装置的入口与所述燃气重整反应器之间；

19、所述热量回收模块还包括第四换热器，所述第四换热器的低温端串联于所述热循环水路，所述第四换热器的高温端串联于所述加热换热器的高温端出口。

20、本发明的质子交换膜燃料电池热电联产系统，可以作为独立于电网运作的能源系统，应用在家庭住宅、油田矿井及野外等环境中，运行过程噪音较低；通过设置热量回收模块，使用循环水对质子交换膜燃料电池热电联产系统各环节产生的热量进行充分回收，减少了热量的浪费，保证热效率，碳排放较低；通过设置低温发电模块与热循环水路可选择地连通，可以根据实际需求利用热量回收模块回收的热量进行供热或发电，对余热灵活地分配及利用，低温发电模块在热力需求不高而电力需求较高时将低温热转化为电力，对质子交换膜燃料电池的发电进行补足，并减少对能量的浪费，使得质子交换膜燃料电池热电联产系统的热电效率能够达到最优；通过将利用余热发电的低温发电模块整合进质子交换膜燃料电池热电联产系统中，对质子交换膜燃料电池热电联产系统在发电过程中产生的热量更及时有效地回收利用，在减小能量浪费的同时，满足更多的电力需求，而且在供能上具有更高的灵活性，在节约更多能源的情况下满足更多的需求，效率高且节能环保，使得质子交换膜燃料电池热电联产系统在工作过程中可以满足多种不同的能量需求，在满足用能需求的前提下尽量节省电力，使质子交换膜燃料电池热电联产系统可以适应更多种工作情况，有效解决现有技术中质子交换膜燃料电池热电联产系统的综合发电效率较低，发电产生的大量热量不能及时回收利用，产生较大浪费的缺陷。